CN107201462A - 一种具有高软化温度的Cu‑Ni‑Fe合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有高软化温度的Cu‑Ni‑Fe合金及其制备方法，其属于铜合金领域。该合金中Cu的原子百分比为40≤Cu≤90 at.%，合金中Ni、Fe的原子百分比比例为1.7<Ni/Fe<5.7。该合金始终具有“立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出”的特征组织，它利用Ni3Fe相（AuCu3结构γ'相）强化Cu合金，利用γ'相在γ相基体上共格析出可以获得较理想的耐温特性，该合金的软化温度始终高于923 K，合金的熔点高于纯Cu的熔点1356 K。

Description

一种具有高软化温度的Cu-Ni-Fe合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高软化温度的Cu-Ni-Fe合金及其制备方法，其属于铜合金领域。
背景技术
导电铜合金的一个重大需求，就是具有高的抗蠕变性能，这是因为在瞬间高电流负载情形下，温度往往很高，普通铜合金难以承受。目前应用较广泛的具有高强度、高导电导热性、良好的耐磨抗蚀性和抗高温蠕变等综合性能的是铍青铜，这是一种典型时效强化型Cu合金，但是这种合金含有毒性元素，并且导电性不够好，承温能力还不足。如果能够把镍基高温合金的主要强化方式：立方棋盘状γ'相（AuCu3结构）在面心立方γ相固溶体基体上共格析出，移植到Cu合金，将有助于发展新型耐高温的时效强化Cu合金。由于立方形态需要析出相与基体的精确匹配，目前为止，除Co基高温合金外，其它常用合金体系中尚未发现立方形态强化析出的组织特征，而各种合金往往需要承受高温的载荷和服役环境。
Cu和Ni有完全相同的面心立方晶体结构，也存在一批结构类型为AuCu3的γ'有序相，从晶体结构上，将立方形态γ'相与面心立方固溶体基体γ相的特征组织结构从Ni基移植到Cu基上完全可能，所有镍基高温合金的研究结果将都可以作为经验被借鉴。直至目前为止，析出强化的铜合金耐温能力都非常低，例如引线框架Cu-Fe-P合金在加入Re等稀土元素后软化温度才能提高到540 °C左右；而用于开关触头的铬锆铜抗高温软化温度也仅可达550 °C；用于压铸冲头的铍青铜软化温度也在550 °C左右。
SungKang等人[1-3]曾经在对Cu-20 at.%Ni-5 at.%Fe合金的研究中涉及了析出相的形态，如在873 K下长时间时效处理得出：当时间为1×103 min时，析出形貌为球形，直径在10 nm左右；当时间为2×104 min时，析出形貌为立方形，尺寸在30~45 nm左右，呈线性排列，但仅仅研究了不同温度和时间下析出相对磁性能的影响，并未研究强度及耐温性能。
参考文献：
[1] Kang S, Takeda M, Takeguchi M, et al. Linear arrangement of nano-scale magnetic particles formed in Cu-Fe-Ni alloys [J]. Journal of Alloys &Compounds, 2010, 496(1):196-201.
[2] Kang S, Takeda M, Hiroi Z, et al. Precipitation behavior and magneticproperties of nano-scale particles in a Cu-Fe-Ni alloy [C].Materials ScienceForum. 2010:2342-2345.
[3] Kang S, Bae D S, Takeguchi M, et al. Microstructural evolutions of aCu75-Fe5-Ni20 alloy depending on the isothermal annealing temperatures [J].Metals & Materials International, 2012, 18(3):521-525。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出利用“立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出”的组织结构来提高Cu的耐温能力，采用具有AuCu3结构的Ni3Fe相作为γ'相，以提升现有Cu合金的耐温性能。
本发明采用的技术方案为：一种具有高软化温度的Cu-Ni-Fe合金，该合金中Cu的原子百分比为40≤Cu≤90 at.%，合金中Ni、Fe的原子百分比比例为1.7<Ni/Fe<5.7；该合金始终具有“立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出”的特征组织，该合金的软化温度始终高于923 K，合金的熔点高于纯Cu的熔点1356 K。
一种具有高软化温度的Cu-Ni-Fe合金的制备方法：
（1）按照成分合金所需的Cu、Ni、Fe原子比换算成重量百分比，使用4N以上高纯原料配制合金；
（2）采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼，最终得到成分均匀的合金锭；
（3）随后将熔炼好的合金置于真空管式炉中，在Ar气氛围中进行1073 K/5h固溶和723K/4h时效处理，得到Cu-Ni-Fe合金。
本发明为了提升现有Cu合金的耐温性能，旨在制备具有高软化温度的Cu-Ni-Fe合金，首先控制40≤Cu≤90 at.%，然后控制Ni、Fe的添加比例为1.7<Ni/Fe<5.7（原子百分比比例），以获得不同的强度与电阻率的组合满足不同实际工况需求。该合金始终具有“立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出”特征组织，且软化温度始终高于923K，熔点高于1356K（纯Cu的熔点）。
上述典型组织的Cu-Ni-Fe高温合金具体制备工艺步骤如下：按照成分合金所需的Cu、Ni、Fe原子比换算成重量百分比，使用高纯原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼，最终得到成分均匀的合金锭；随后将熔炼好的合金置于真空管式炉中，在Ar气氛围中进行1073 K/5h固溶和723 K/4h时效处理；利用XRD和TEM检测合金组织和结构；用维氏硬度计进行硬度测试；利用差热分析仪测量合金的熔点；根据GB/T 33370-2016《铜及铜合金软化温度的测量方法》测量合金的软化温度。
本发明的有益效果为：该合金中Cu的原子百分比为40≤Cu≤90 at.%，合金中Ni、Fe的原子百分比比例为1.7<Ni/Fe<5.7。该合金始终具有“立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出”的特征组织，利用Ni3Fe相（AuCu3结构γ'相）强化Cu合金，利用γ'相在γ相基体上共格析出可以获得较理想的耐温特性，该合金的软化温度始终高于923K，合金的熔点高于纯Cu的熔点1356 K。在这种组织形态下可以达到固溶强化和第二相强化共同作用的结果，高的蠕变抗力来自于两相的相界（位错运动的障碍）。
附图说明
图1是1073K/5h固溶和723K/4h时效处理后Cu50Ni37.5Fe12.5（at.%）合金的XRD图谱。
图2是1073K/5h固溶和723K/4h时效处理后Cu42.86Ni42.86Fe14.28（at.%）合金的XRD图谱。
具体实施方式
下面结合技术方案详细叙述本发明的具体实施例。
实施例1：Cu50Ni37.5Fe12.5（at.%）合金
步骤一：合金制备
将成分为Cu50Ni37.5Fe12.5（at.%）的合金换算成重量百分比，使用纯度为4N的Cu、Ni和Fe原料配制合金；采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼5次，最终得到成分均匀的合金锭；随后将熔炼好的合金置于真空管式炉中，在Ar气氛围中进行1073 K/5h固溶和723 K/4h时效处理。
步骤二：合金结构和性能表征
采用德国布鲁克D8 FOCUS X射线衍射仪和TECNAI G2型透射电子显微镜对样品相结构进行分析，可以确定Cu50Ni37.5Fe12.5（at.%）中有立方状γ'相（Ni3Fe）析出，如图1所示；采用HVS-1000型数字显微硬度计测量合金的硬度（HV）为232.06；采用TA Q600型差热分析仪测量合金的熔点为1512K；根据GB/T 33370-2016《铜及铜合金软化温度的测量方法》，合金的软化温度高于923K。
实施例2：Cu42.86Ni42.86Fe14.28（at.%）合金
步骤一：合金制备
Cu42.86Ni42.86Fe14.28（at.%）合金，合金制备同实施例1中的步骤一。
步骤二：合金结构和性能表征
采用德国布鲁克D8 FOCUS X射线衍射仪和TECNAI G2型透射电子显微镜对样品相结构进行分析，可以确定Cu42.86Ni42.86Fe14.28（at.%）合金中有立方状γ'相（Ni3Fe）析出，如图2所示；采用HVS-1000型数字显微硬度计测量合金的硬度（HV）为222.60；采用TA Q600型差热分析仪测量合金的熔点为1548K；根据GB/T 33370-2016《铜及铜合金软化温度的测量方法》，合金的软化温度高于923K。

Claims (2)

1.一种具有高软化温度的Cu-Ni-Fe合金，其特征在于：该合金中Cu的原子百分比为40≤Cu≤90 at.%，合金中Ni、Fe的原子百分比比例为1.7<Ni/Fe<5.7；该合金始终具有立方棋盘状γ'相在面心立方γ相固溶体基体上共格析出的特征组织，该合金的软化温度始终高于923 K，合金的熔点高于纯Cu的熔点1356 K。
2.根据权利要求1所述的一种具有高软化温度的Cu-Ni-Fe合金的制备方法，其特征在于：
（1）按照成分合金所需的Cu、Ni、Fe原子比换算成重量百分比，使用4N以上高纯原料配制合金；
（2）采用非自耗真空电弧熔炼炉，通入高纯Ar气保护，对配制好的合金原料进行反复熔炼，最终得到成分均匀的合金锭；
（3）随后将熔炼好的合金置于真空管式炉中，在Ar气氛围中进行1073 K/5h固溶和723K/4h时效处理，得到Cu-Ni-Fe合金。
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